CN116161729B - 一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，包括储水容器（4）、光热体（3）、集水罩（1）和叶轮组（2）；光热体（3）位于储水容器（4）中；集水罩（1）为透明材质，全封闭式可拆卸结构；储水容器（4）和光热体（3）都位于集水罩（1）内；叶轮组（2）由连接轴、上叶轮和下叶轮组成；连接轴竖直放置，穿过集水罩（1）的底部和储水容器（4）的底部，并与二者可旋转地密封连接；上叶轮固定套在连接轴的上端，上叶轮位于储水容器（4）内且位于光热体（3）的下方；下叶轮固定套在连接轴的下端，下叶轮位于集水罩（1）的下方。本发明的结构简单，通过风力的辅助加强了水蒸气的挥发速率。

Description

一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，涉及一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置。

背景技术

水资源的短缺影响着全球超过三分之一的人口，而占据地球面积超过百分之七十以上面积的海洋中蕴含着大量的水资源，从海水中获取淡水吸引了广大研究人员的目光。而作为绿色能源的太阳能成为了其中重要的能量来源之一，利用光热材料的光热转换来实现界面水蒸气蒸发以获取淡水是一种绿色环保的技术手段。

然而受限于太阳光的强度、光热材料的转换效率以及此过程中发生的热辐射损耗、热对流损耗、热传导损耗，淡水的产量一直是重点研究的方向。仅通过太阳光的作用，势必导致单位面积的光热材料的水蒸气生成量无法突破理论极限值，因此，众多利用多种类能源协同作用，提高水蒸气生成产量的策略被设计。例如，利用部分光热材料的电加热性能，对其通电辅助增强光热材料表面的温度达到高的水蒸气产量；通过将集水罩的空气机械抽出以造成低压环境，使得水蒸气更容易生成从而提高产量。

而作为自然界中随处可见的风能，同样获得了众多目光。在风力的加持下，光热材料的水蒸气生成量会有极大的突破，水蒸气生成量最高可达数倍于无风力增强的状态。然而，太阳能水蒸气生成装置是相对密闭的系统，因为需要考虑到水蒸气的收集，所以集水罩往往将整个光热材料全部封闭；若要使得风力进入密闭空间，则必须开辟风力出口，而极高的水蒸气生成量在水蒸气的收集过程中因出风口存在会有极大的损失。

文献《A high-performance self-regenerating solar evaporator forcontinuous water desalination[J]. Advanced materials, 2019, 31(23): 1900498.》公开了一种在天然木材基质中设计人工通道阵列的可再生太阳能蒸发器，但其近乎二维的光热体结构，以及其几乎仅依靠太阳能作为能源输入源的特点，使得该结构的蒸发效率较低，在一个太阳光下，淡水蒸气生成速率仅为1.46kg/(m²·h)。

不仅如此，区别于只有日间会有太阳光，风力在白天和夜晚都会存在，有效的利用风能是极其有益的方案。

文献《High-yield and low-cost solar water purification via hydrogel-based membrane distillation[J]. Advanced Functional Materials, 2021, 31(19):2101036.》公开了一种炭黑颗粒与水凝胶复合结构的太阳能蒸发器，但其仅在风力为0.75m/s，气流温度为25℃且光强为1kW/m²时能够实现了最高的2.4kg/(m²·h)的淡水收集，然而，风力超过此数值则会使得水汽的收集出现极大损失，这无疑阻碍了风力的利用；同时，其曲折的风力通道设计使得自然风力很难进入，只能通过外加风力并需精确地控制风力数值，而需要淡化的海水同样无法静止，亦需要不停地通过外部输入，这无疑会消耗大量的能源为代价。

因此，亟待开发一种集自然风力辅助的、水蒸气生成效率高且收集不损耗的全天候的太阳能驱动水蒸气生成装置。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，采用一组叶轮将自然界中的风能引入至密封的系统内，同时考虑到叶轮不能遮挡太阳光照射至光热体的表面的问题，将叶轮组置于了集水罩底部，在系统运行时，自然界风力驱动叶轮组，从而导致与光热体接触的海水产生涡流带动光热体运动，使得光热体表面出现气流流动，引起系统内部的流动加速，加速蒸发效率。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，包括储水容器、光热体、集水罩和叶轮组；

储水容器用于放置一定数量的需要进行处理的水溶液；

光热体位于储水容器中，漂浮于水溶液中，毛细作用将水溶液输送至整个光热体，分布于光热体界面的水溶液吸热而蒸发；

集水罩为透明材质，全封闭式可拆卸结构；

储水容器和光热体都位于集水罩内；

叶轮组由连接轴、上叶轮和下叶轮组成；连接轴竖直放置，穿过集水罩的底部和储水容器的底部，并与二者可旋转地密封连接；上叶轮固定套在连接轴的上端，上叶轮位于储水容器内且位于光热体的下方；下叶轮固定套在连接轴的下端，下叶轮位于集水罩的下方。

考虑到风力的存在，本发明将风力作用引入到了水蒸气生成装置内部，是通过叶轮组实现的。上叶轮接触集水罩中的水溶液，下叶轮处于集水罩的外部，当风力作用于下叶轮时，下叶轮旋转的同时带动上叶轮旋转，上叶轮驱动集水罩中的水溶液转动，带动漂浮于其上的光热体转动。光热体的转动可以扰动集水罩中的空气，加速光热体表面的气体流速，加强水蒸气的挥发速率。

尤为重要的是，本发明中的叶轮组处于系统的最底部，并不会阻挡太阳光，且并不占据其它区域的太阳光照的面积。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，光热体由杆状物、水凝胶复合材料和支撑体组成；杆状物和水凝胶复合材料中都含有光热材料；杆状物竖直放置，底部安插在水凝胶复合材料中，水凝胶复合材料固定在支撑体上；本发明之所以在光热体的底部采用水凝胶复合材料，一是因为水凝胶可以将杆状物固定粘结住，二是由于水凝胶是多孔结构，可以实现水溶液的输送，且多孔性也利于太阳光的多次反射吸收。

如上所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，杆状物的横截面呈月牙形，由一根高曲率曲线和一根低曲率曲线组成，高曲率曲线的长度大于低曲率曲线；

当光热体转动时，光热体上的杆状物表面有气体流过，因杆状物的横截面的两条曲线长度不同，故流过高曲率曲线处的流速小于流过低曲率曲线处的流速，两个曲线表面产生压力差使杆状物产生振动，进一步加大了界面的空气流速，加速了水蒸气生成；

杆状物是以碳纤维为原材料经机织工艺制备而成的，碳纤维的太阳光吸收能力大于90%；制备过程为：将碳纤维经纱按照杆状物的截面形态排布成多层，按照从上层到下层的顺序织造平纹组织，采用梭子引入连续纬纱，利用连续纬纱实现各层的连接，每织完长度的十分之一，即采用碳纤维将其进行沿着截面方向捆绑以使截面定型；具体制备过程为：首先，以碳纤维长丝为经纱，将其按照杆状物的截面形态排布成多层，即沿着经纱的方向，未开始织造时的碳纤维经纱的垂直面呈现与最终截面形态等比例放大的形状；其次，采用有梭织机进行织造，纬纱同样采用碳纤维长丝，先将最上层的经纱进行平纹组织织造，进行两根纬纱的织造；接着，进行第二层经纱的织造，同样采用平纹组织织造，织造过程中，当提综时，第一层经纱需要全部提起，依次完成所有层的经纱织造；最后，剪断纬纱，再进行第一层经纱的织造，此时第一根纬纱的引入方向与前次织造此层经纱时的纬纱引入方向相反，按照此规律依次完成后续织造；

原则上具有优良光热性的纤维都可以作为杆状物的原料，本发明之所以选择碳纤维作为杆状物的原料，首先是因为碳纤维不经处理便拥有优良的光热性，其次是碳纤维模量大、刚性大，编织完后不容易弯，编织物可以比其他的纤维更长一些，而如果采用其他材料可能不仅需要编织，还需要进行刚性处理，比如衬入一些刚性细杆之类的处理。

如上所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，杆状物的数量为20个以上，所有的杆状物呈同心圆分布，各杆状物横截面的低曲率曲线靠近同心圆的圆心，各杆状物横截面的高曲率曲线远离同心圆的圆心，同一圆上的杆状物均匀分布，相邻圆上的杆状物错位分布。

如上所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，水凝胶复合材料主要由聚乙烯醇水凝胶和具有光热性能的颗粒（如炭黑颗粒、重金属纳米粒子、活性炭、灼烧后留下的碳化的残余物磨成的粉末、表面沉积聚吡咯的颗粒、表面沉积聚多巴胺的颗粒、表面沉积聚苯胺的颗粒等）组成，水凝胶复合材料的太阳光吸收能力超过98%；光热体的制备过程为：首先将支撑体平铺在一个容器的底部，然后向其中倒入质量比（100±5）:（1±0.05）:（10±0.5）:（20±2）的浓度为8-12wt%的聚乙烯醇水溶液、浓度为45-55wt%的戊二醛水溶液、浓度为1.2M的盐酸溶液、具有光热性能的颗粒的混合物，最后将杆状物的底部竖直插入混合物中，于室温下静置5h，即得光热体。

如上所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，支撑体是以牛角瓜纤维粗纱为纬纱、以黑色丙纶复丝为经纱经机织工艺制备而成的；高中空率的牛角瓜纤维和低密度的丙纶复丝保证了支撑体具有足够的浮力，赋予了光热体自漂浮性能；支撑体中纤维之间的孔隙配合水凝胶复合材料的高孔隙率保证了水溶液可以从光热体的底端输送至顶端。

碳纤维和具有光热性能的颗粒都被证明是具有高效光热转换性能的材料，本发明将原料为碳纤维的杆状物和分散有具有光热性能的颗粒的水凝胶复合材料制备成光热体，同时将中空牛角瓜纤维和低密度丙纶纤维为原材料制备而成的机织物复合在光热体的底部，高中空率的牛角瓜纤维和低密度的丙纶纤维使得整个光热体可以漂浮于水溶液之上，而高孔隙率的水凝胶复合材料及碳纤维间的纤维孔隙可以将接触的水溶液通过毛细效应输送至整个光热体，具有光热性能的颗粒以及碳纤维将吸收的太阳光转化成热，处于光热体表面的水溶液吸热后可蒸发为水蒸气，上升的水蒸气碰到温度相对较低的集水罩的顶端可凝结成水珠沿着罩体斜面以及壁面滑下至集水罩底部以便收集之用。该光热体不仅能够对角度大的太阳光实现有效的吸收，当太阳光角度低时，由于杆状物是三维结构，光线与光热管的夹角比光线与平面材料的夹角要大得多，杆状物同样可以捕捉足够多的太阳光。

如上所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，水凝胶复合材料、支撑体和储水容器都为圆柱状结构。

如上所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，集水罩顶部呈尖顶状。

如上所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，储水容器为透明材质。

如上所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，向储水容器内灌注浓度为3.5wt%的氯化钠水溶液后，在一个标准模拟太阳光下（1kW/m²），当作用于下叶轮的风速为3m/s时，水蒸气生成速率为3.21-3.76kg/(m²·h)；在黑暗条件下，当作用于下叶轮的风速为3m/s时，水蒸气生成速率为0.92-1.1kg/(m²·h)。

本发明的装置工作时，水凝胶的高孔隙率以及纤维之间的孔隙保证了水溶液从光热体底端输送至顶端，当有太阳光时，太阳光照射于所述的光热体上，布满光热体表面的水溶液吸热转换为水蒸气，凝结于集水罩顶端；当有风力作用于叶轮组的下叶轮时，下叶轮带动上叶轮转动，导致集水罩中的水溶液产生涡流，浮于其表面的光热体随时转动。

有益效果

（1）本发明的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，通过将有浮力的机织物与水凝胶复合成三维结构实现了自漂浮；

（2）本发明的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，通过将光热杆状织物与具有光热性能的颗粒结合，制得了三维结构的光热体，实现了任意角度太阳光的高效吸收以及水蒸气的高效蒸发；

（3）本发明的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，将风力作为能源输入，辅助增强了水蒸气的生成，当有太阳光时，风力的辅助使得蒸发量获得大幅度提升，当处于黑夜时，风力的作用依然有效，亦可使得水蒸气的生成量大幅度提升；

（4）本发明的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，通过设计阵列状光热体的碳纤维杆状物的截面形状，实现了其转动过程中的杆状物的附加振动作用，进一步加强了水蒸气的挥发速率。

附图说明

图1~2为本发明的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置内部结构示意图；

图3为本发明的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置中光热体俯视结构示意图；

其中，1-集水罩，2-叶轮组，3-光热体，4-储水容器，5-杆状物，6-水凝胶复合材料。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以下各实施例和对比例中水蒸气生成速率的检测方法为：

实施例和对比例进行蒸发实验过程中，采用的光源型号为Newport 94043A,AM1.5；使用电子天平每隔2小时测量一次水蒸气生成速率，对所有的水蒸气生成速率（不少于18个）计算平均值得到最终的水蒸气生成速率；测量单次水蒸气生成速率的过程为：首先测量装置整体重量变化值△m=m0-m1，每次测量时都采用吸水纸将集水罩上的液态水全部快速擦拭干净，m0为擦拭去除液态水前装置整体重量，m1为擦拭去除液态水后装置整体重量，然后用所获取的重量变化值△m除以蒸发时长（2小时）即得单位时间内的水蒸气蒸发量，最后用单位时间内的水蒸气蒸发量除以光热体投影面积（如图3所示的视角，即当视角与水凝胶复合材料上表面垂直时，所占据的最大面积，在图3中，就是外侧圆形轮廓的面）即可得到单位面积单位时间内的水蒸气生成速率。

实施例1

一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，如图1~2所示，包括储水容器4、光热体3、集水罩1和叶轮组2；

光热体3由杆状物5、水凝胶复合材料6和支撑体组成；

如图3所示，杆状物5的数量为20个以上，以碳纤维为原材料经机织工艺制备而成；杆状物5的横截面为由一根高曲率曲线和一根低曲率曲线组成的月牙形，高曲率曲线的长度大于低曲率曲线；所有的杆状物5呈同心圆分布，各杆状物5横截面的低曲率曲线靠近同心圆的圆心，各杆状物5横截面的高曲率曲线远离同心圆的圆心，同一圆上的杆状物5均匀分布，相邻圆上的杆状物5错位分布；

水凝胶复合材料6为圆柱状结构，主要由聚乙烯醇水凝胶和具有光热性能的颗粒组成；

支撑体为圆柱状结构，以牛角瓜纤维粗纱为纬纱、以黑色丙纶复丝为经纱经机织工艺制备而成；

杆状物5竖直放置，底部安插在水凝胶复合材料6中，水凝胶复合材料6固定在支撑体上；

储水容器4为透明材质的圆柱状结构；

集水罩1为透明材质，顶部呈尖顶状，全封闭式可拆卸结构；

光热体3位于储水容器4中，储水容器4和光热体3都位于集水罩1内；

叶轮组2由连接轴、上叶轮和下叶轮组成；连接轴竖直放置，穿过集水罩1的底部和储水容器4的底部，并与二者可旋转地密封连接；上叶轮固定套在连接轴的上端，上叶轮位于储水容器4内且位于光热体3的下方；下叶轮固定套在连接轴的下端，下叶轮位于集水罩1的下方；

使用本实施例的装置进行液体蒸发实验：向储水容器4内灌注浓度为3.5wt%的氯化钠水溶液后，在一个标准模拟太阳光下（1kW/m²），当作用于下叶轮的风速为3m/s时，水蒸气生成速率为3.66kg/(m²·h)；在黑暗条件下，当作用于下叶轮的风速为3m/s时，水蒸气生成速率为1.08kg/(m²·h)。

对比例1

一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，基本同实施例1，不同之处仅在于本对比例的叶轮组中没有下叶轮；

使用本对比例的装置进行液体蒸发实验：实验条件同实施例1，在一个标准模拟太阳光下（1kW/m²），水蒸气生成速率为1.89kg/(m²·h)；在黑暗条件下，水蒸气生成速率为0.32kg/(m²·h)。

对比例1与实施例1相比，对比例1的叶轮组中没有下叶轮，装置外部风力无法带动叶轮组旋转搅动储水容器中液体，进而无法使储水容器中液体发生旋转和带动光热体旋转，导致杆状物表面空气流速大幅降低，进而使得杆状物表面液体蒸发速率下降。

对比例2

一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，基本同实施例1，不同之处仅在于本对比例中杆状物的月牙形横截面的两条曲线曲率相同，长度相同，弯曲方向相对，曲率和长度同实施例1中的高曲率曲线。

使用本对比例的装置进行液体蒸发实验：实验条件同实施例1，在一个标准模拟太阳光下（1kW/m²），水蒸气生成速率为3.31kg/(m²·h)；在黑暗条件下，水蒸气生成速率为0.85kg/(m²·h)。

对比例2与实施例1相比，对比例2中的杆状物的两条曲线曲率相同，长度相同，在光热体旋转时，杆状物的两个曲面空气流速基本一致，使曲面两侧的气流压力差明显降低，由压力差导致的杆状物震动也明显降低，减小了由杆状物震动导致气流加速，进而降低了杆状物表面的液体蒸发效率。

Claims (7)

1.一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，其特征在于，包括储水容器（4）、光热体（3）、集水罩（1）和叶轮组（2）；

光热体（3）由杆状物（5）、水凝胶复合材料（6）和支撑体组成；杆状物（5）和水凝胶复合材料（6）中都含有光热材料；杆状物（5）竖直放置，底部安插在水凝胶复合材料（6）中，水凝胶复合材料（6）固定在支撑体上；杆状物（5）的横截面呈月牙形，由一根高曲率曲线和一根低曲率曲线组成，高曲率曲线的长度大于低曲率曲线；杆状物（5）是以碳纤维为原材料经机织工艺制备而成的；

杆状物（5）的数量为20个以上，所有的杆状物（5）呈同心圆分布，各杆状物（5）横截面的低曲率曲线靠近同心圆的圆心，各杆状物（5）横截面的高曲率曲线远离同心圆的圆心，同一圆上的杆状物（5）均匀分布，相邻圆上的杆状物（5）错位分布；

光热体（3）位于储水容器（4）中；

集水罩（1）为透明材质，全封闭式可拆卸结构；

储水容器（4）和光热体（3）都位于集水罩（1）内；

叶轮组（2）由连接轴、上叶轮和下叶轮组成；连接轴竖直放置，穿过集水罩（1）的底部和储水容器（4）的底部，并与二者可旋转地密封连接；上叶轮固定套在连接轴的上端，上叶轮位于储水容器（4）内且位于光热体（3）的下方；下叶轮固定套在连接轴的下端，下叶轮位于集水罩（1）的下方。

2.根据权利要求1所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，其特征在于，水凝胶复合材料（6）主要由聚乙烯醇水凝胶和具有光热性能的颗粒组成。

3.根据权利要求1所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，其特征在于，支撑体是以牛角瓜纤维粗纱为纬纱、以黑色丙纶复丝为经纱经机织工艺制备而成的。

4.根据权利要求1所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，其特征在于，水凝胶复合材料（6）、支撑体和储水容器（4）都为圆柱状结构。

5.根据权利要求1所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，其特征在于，集水罩（1）顶部呈尖顶状。

6.根据权利要求1所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，其特征在于，储水容器（4）为透明材质。

7.根据权利要求1所述的一种风力辅助增强的太阳能驱动水蒸气生成装置，其特征在于，向储水容器（4）内灌注浓度为3.5wt%的氯化钠水溶液后，在一个标准模拟太阳光下，当作用于下叶轮的风速为3m/s时，水蒸气生成速率为3.21-3.76kg/(m²·h)；在黑暗条件下，当作用于下叶轮的风速为3m/s时，水蒸气生成速率为0.92-1.1kg/(m²·h)。